变频电机转速的闭环控制

第31卷第2期 2009年4月 探测与控制学报 JournalofDetection＆Control 衍垣31No．2 Apr．2009 变频电机转速的闭环控制 吕昊暾1，赵河明1，杨 昭2，张 亚1 (1．中北大学机电工程学院，山西太原030051；2．总参陆航部驻株洲地区军事代室。湖南株洲411207) 摘 要：在引信弹道模拟实验机构中．变频电机被用来为弹丸的自转和进动等运动提供动力。在运行过程中 由于章动和进动同时存在，机构转动惯量的波动引起电机的运转速度的波动。测试表明，使实验情况更接近实 际弹丸飞行状态。为此提出一种闭环控制的方案：使用C805IF330单片机，通过变频电机的速度模拟输出端子 得到电机的实时速度，与上位机发送的期望转速进行比较得到修正量，然后将修正量反馈给变频电机，完成反 馈控制。 关键词：引信；弹道模拟；闭环控制；变频电机， 中图分类号：TJ43；TP2文献标志码：A文章编号：1008-1194(2009}02-0059-04 Closed-loopControlonVariable-frequencyMotors"RotationalSpeed LVHao-tunl，ZHAOHe-ruin91，YANGZhad，ZHANGYal (1．SchoolofMechatrorfiesEngineeripg，NoahUniversityofChina，Taiyuan030051．China； 2．GeneralStaffArmyAviationMilitaryRepresentativesofficeinZhuZhouRegion，Zhuzhou411207。China) Abstract：Infuzetrajectorysimulationexperimentmechanism，thevariable-frequencymotorisusedtoprovide powerforrotationandprecessionoftheprojeetile．RunningspeedofthemotorisfluetuatingduetOtheobvious fluctuationofmec}谢s嘛momentofinertiacausedbythecoexistenceofrotationandprecession．Inviewofthis problem，amethodofclosed-loopcontrolisproposedtOmaketheexperimentfurthestaccordtOtherealflyofthe projectile：throughspeedsimulationoutput，themotor'sreal-timespeedisgotbySCMandiscomparedwiththe expectedspeedfromupperPCtogetthecorrectionvaluewhichisthenfedbacktOthemotOrthroughthesirnu- lationvoltage-frequencyinput． Keywords：fuze；trajectOrysimulation；loopcontrol；variable-frequencymotors 0引言 在引信弹道模拟实验机构中，弹体需要同时完 成章动、进动和自转以模拟真实弹体的飞行状态。 维持章动速度、进动速度和自转速度的动力则来自 于电动机，而当章动和进动同时存在时实验机构的 质心与中心轴的位置呈现持续有规律变化，引起转 动惯量的不断改变，使提供章动和进动的电动机的 负载出现明显波动，进一步影响到电机的速度[1]。 电机速度的波动则使模拟弹丸的运动轨迹呈现对称 性不好的特点。 为了减小电机运行速度随着负载波动而产生的 波动，使引信弹道模拟实验环境更接近于实际情况， 在本文中提出了为系统引人反馈形成闭环控制的方 法，在电机速度偏离期望速度时及时引入负反馈对 其进行修正。 1闭环控制系统原理 首先我们需要获得电机的实际运转速度，由控 制单元将实际速度与期望速度进行比较而得到修正 量，然后通过反馈网络将修正信息传输给电动机完 成修正控制。本文采用的闭环负反馈系统原理图如 图1所示。 *收稿日期：2008—10-06修回日期：2008-12一Ol 作者简介：吕吴暾(1983一)，男，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：目标传感探测与控制技术。E-mail：lvhaotun@ 163．Corn。 万方数据 60 探测与控制学报 图1反馈系统原理图 Fig．1Theelementchartofthefeedbacksystem 1-1电机实际速度采样 控制系统使用C8051F330单片机作为控制单 元。其内部集成有24．5MHz高精度时钟源[2]。使 用该单片机可以使控制电路简化。 电机运行的实际速度通过测速传感器得到，选 用红外反射式测速传感器可以满足并且降低系 统成本。将测速传感器对准电机输出轴，在输出轴 上均匀布置有多个反光材料，电机主轴的转动使反 光材料逐个循环将测速传感器的发出光反射回传感 器形成脉冲型号，适当添加反光材料的数量可提高 对速度的测试精度。测速传感器原理及电平转换电 路如图2所示，图中虚线框内为测速传感器示意图。 图2测速传感器及电平转换电路 Fig．2Thesensorandthecircuitofelectronictransfom l产—一I==jP03POA ————刁珊．1 PO。d 囱戮揣 —。—赢]Pl，6 P1．5 TXD R)① 一般测速传感器供电电压即VCC要求大于10 V或12V，图2中R为测出传感器的内阻，1．5MQ 为实测值而不是传感器的给定参数，可能不同测速 传感器会有差异。昆为上拉电阻，其值根据传感器 内阻R和单片机引脚PO．0的要求电压确定，同时当 传感器输出为低电平时用来保护电源。R·和Rz的确 定都是考虑PO．0的电压要求确定的。二极管的设 置是为了保证传感器输出低电平时单片机引脚与低 电平之间的0阻值，提高电路严谨性。 由单片机根据PO．0口的输入脉冲个数转换为 电机的实时速度，完成电机速度的采样。 1．2修正量反馈 控制单元得到电机实时速度以后通过与期望速 度的比较折算出修正量，然后通过驱动器的“模拟电 压频率指令”端口将修正量传输给变频驱动器。变 频驱动器一般提供o～10V的模拟电压指令输入， 同时提供有10V参考电压，用以连接电位器来实现 手动调节。这里我们使用单片机控制数字电位器将 修正量输入给驱动器。 数字电位器是可用数字信号控制电位器滑动端 位置的器件。数字电位器种类较多，精度也有所差 异，用来满足不同精度的要求。例如X9CL03内部 包含99个电阻单元，100档输出滑动端}而X9511 内部包含了31个电阻单元，32档输出滑动端。这 两种电位器都可以满足O～lOV的电位变化。由变 频驱动器为数字电位器提供10V参考电压，单片机 连接至电位器的控制端对其进行控制。电路连接如 图3所示。 +lOV 变频器模拟控制端 一OV 图3单片机对电位器控制电路图 Fig．3ThecircuitdiagramoftherheostatcontrolbytheSCM 上述两种电位器的工作电源为5V，而核心单 片机的电源是3V，考虑系统性要求，系统 采用5V单电源供电，单片机电源则可以通过如 LM317等电源芯片进行转换。 r于m 面舭三[『岳州匠匮；际 万方数据 吕昊暾等：变频电机转速的glJ不K"制 61 1．3与上位机通信 闭环控制系统的原始控制信号来自于主控计算 机，采用串行通信端口经电平转换后与上位机进行 通信。上位机通过便于观察和操作的可视化界面向 单片机发送启动、停止、转向和转速等信息；同时又 可以检测整个弹道模拟试验运行状况，在整个实验 过程中采集相关信息，为实验弹道环境与实际弹道 环境的相关度评估提供重要参考数据，电路图如图 4所示‘3|。 3V 。。广而 图4控制系统与上位机通信电路图 Fig．4Thecircuitdiagramofthecontrolsystemandthecomputer 1．4抗干扰 该系统考虑到变频电机驱动器可能带来的电磁 干扰等对系统不利的因素，在5V电源的输入端连 接必要的去耦电容并将模拟的与数字的采用0Q电 阻进行隔离。另外，变频驱动器提供给数字电位器 参考电位引脚的loV和0V参考电压可能包含致 使数字电位器损坏的干扰信号，所以连接变频器外 壳的与0V参考电压引脚的导线是必须的。 2闭环控制系统测试 图5是试验中模拟弹丸原系统的运动轨迹。是 由安装于模拟弹丸内部的红色激光笔的光斑划出， 由相机使用慢速快门拍摄得到的。 DB9 过程中所划出的轨迹明显长于靠近中心的过程所划 出的轨迹。此现象就是由电机速度的波动造成的。 闭环控制系统的加入及时修正了变频电机随负 载的变化而产生的速度波动，再加上机构自身平衡 性的改进，模拟弹丸章动与进动的不平稳性得到很 好地解决，使模拟弹丸的运行轨迹较为规则，与实际 弹丸的空中姿态基本吻合L4J。 图6为系统改进后试验过程中装于模拟弹丸中 的红色激光笔光斑划出的轨迹，与图5相比可以看 出模拟弹丸的运动轨迹的规范性得到有效提高[5]。 图6系统改进后模拟弹丸运动轨迹 Fig．6Themovementcontrailofthestimulantproiectile oftheimprovedsystem 图5模拟弹丸运动轨迹 3 结论 Fig5 Themovementcontrailofthestimulantprojectile 从图5可知，由模拟弹丸的进动形成的4个小 圆是不对称的，按顺时针看，模拟弹丸在远离中心的 这种闭环控制方法电路简单，成本较低，运行可 靠，在引信弹道模拟机构中用来控制并稳定变频电 巍瓣墨 砷 R R一2 +．．+． 几K—d瞄眵鬯一 万方数据 62 探测与控制学报 机的转速有较好的效果。另外该方法可以应用于其 [4]关世玺，范国勇，王利．弹丸运动模拟试验研究[J]．弹箭 他闭环控制场合。 与制导学报，2008，28(5)：115—118． 参考文献： 1-1-1龚建华．子弹飞行环境半实物仿真技术研究[D]．太原： 中北大学，2008． E2]潘琢金，施国君．C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应 用I-M3．北京：北京航空航天大学出版社，2002． [3]张雄伟，邹霞，贾冲．DSP芯片原理与应用FM]．北京：机 械工业出版社，2005． GUANShi-xi，FANGuo-yong，WANGLi．Studyonsim— ulationexperimentofsubmunitionprecessionandrotation 口]-JournalofProjectiles，Rockets，MissilesandGuid— ante． [5]GONGJian-hua，WANGLi．Theresearchonthree-axis projectileanglemotionhardwareintheloopsimulation Ecl／／The7thinternationalsymposiumontestandmdlS- urement．Taiyuan：ISTM，2007，2000-2004． 关于第十六届引信学术年会的征文通知 为了迎接2010年在北京举办的第25届国际弹道会议的召开，根据引信专业委员会的决定，拟定于2009年10月召开第 十六届引信学术年会，现将有关征文内容通知如下，望各单位及引信行业的广大科技工作者踊跃参加。 一、年会宗旨 深入学习实践科学发展观，促进引信技术又好又快地发展。密切结合自己工作实际，紧紧跟踪国外引信技术发展的主流 趋势，自主创新，为引信装备的信息化建设和需求，提供高层次、大规模、综合性的学术舞台。 二、征文范围 1)引信技术发展战略思考；2)引信技术创新体制和创新机制的讨论；3)满足现代信息化战争的引信技术需求，4)引信技 术在科研开发、生产和工艺等方面的创新论文；5)介绍国内外引信技术及相关探测与控制精确毁伤等技术领域的学术论文。 三、征集英文论文 1．为做好我专业委员会参加2010年第25届国际弹道大会的工作，要求各委员单位．必须提交1—3篇英文论文。 2．英文论文按中国兵工学会征文通知时间节点投到“第25届国际弹道大会专用网站”但同时必须向我专业委员会转投该 论文，以便编入十六届引信年会论文集中。 3．英文论文交稿时间：1)2009年8月1日，全部论文摘要截止日(给我会提供全部英文论文)；2)2009年8月中旬，召开 国内论文评审、修改会；2009年9月15日--17日，论文评审会，地点南京2009年11月15日之前，告知作者录用情况。会议 论文负责人：张小兵(南京理工大学电话025--84316851；传真025—84316851；邮箱：xiaobingzhanlg：@ISB2010．corn)；25届国 际弹道会议专用网站wwW．ISB2010．com 四、编辑出版《论文集》 引信专业委员会为本次年会的召开准备编辑出版《论文集》，请各单位组织投稿的作者按下列要求准备论文： 1．学术论文应为首次公开发表，层次清晰，文理通顺，图表齐全，字数为6000字左右，文章前须加300字左右摘要，并加3 —8个关键词。 2．论文经各单位审查后，提供保密证明，并由作者按下列要求打字排版。 1)采用word排版，纸张大小为A4，格式参见《探测与控制学报》网站硐w慨tcykcoln学会动态栏中提供的模板及要求。 2)页面设置：上边距2．5cm，下边距2cra，左边距2．5cm，右边距2．5cm，页眉1．5，页脚17．5cm，文档网格：选择“只指定 行网格”每页45行。 3)论文标题用二黑；作者用四号仿宋；作者单位用五黑；“摘要”、“关键词”用五黑；摘要、关键词内容用小五宋；正文用五 宋；一级标题用四黑；二级标题用五黑；图题、图注等用小五宋；标题、“参考文献”用五黑；参考文献内客用小五宋。 3．本届年会拟定于2009年10月召开，各单位务必于2009年8月1日前将论文(包括英文论文)打印稿和电子稿交引信 专业参商含．E--mailttevkz偷263．net(电平邮件须注明年会论文)．电话：029--88156204。通信地址：西安121信箱《探测与 控制学报》学报编辑部，邮编：710065。 中国兵工学会引信专业委员会 万方数据